一种IGBT的驱动芯片保护电路以及驱动电路的制作方法

一种igbt的驱动芯片保护电路以及驱动电路
技术领域
1.本发明涉及电力电子领域，特别是涉及一种驱动芯片的保护电路以及驱动电路。


背景技术：

2.在电力电子装置中，igbt作为主要的功率开关器件，其工作(包括驱动和保护)的可靠性将直接影响到整个装置的可靠性，故关于igbt驱动行业中出现了很多不同的驱动电路。
3.目前igbt模块的驱动保护电路大部分都是由toshiba公司的igbt驱动光耦tlp350/hcpl-3120加上一些外围电路组成，现有的igbt模块中不具备保护电路，若igbt发生短路，电路将直接损坏，需要换新的igbt模块和其驱动电路，并且抗干扰能力差。
4.综上所述可以看出，如何使驱动芯片中具有保护功能是目前有待解决的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种igbt的驱动芯片保护电路以及驱动电路，解决现有技术中驱动芯片中缺乏保护电路，导致电路烧断的弊端。
6.为解决上述技术问题，本发明提供一种igbt的驱动芯片保护电路，所述驱动芯片为acpl-330j芯片，所述保护电路包括：
7.去耦电容组，包括第一去耦电容和第二去耦电容，所述第一去耦电容的一端连接在所述驱动芯片的引脚16上，另一端连接在所述驱动芯片的引脚12上，所述第二去耦电容的一端连接在所述驱动芯片的引脚16上和所述第一去耦电容的一端，其另一端连接在所述驱动芯片的引脚13上；
8.第一二极管，用于保护所述驱动芯片的引脚14不被负压烧坏，其正极接在零电位基准点和所述驱动芯片的引脚16上，负极接在所述驱动芯片的引脚14上；
9.第一限流电阻，接在所述驱动芯片的引脚14上；
10.短路故障外部检测电路，由接在所述驱动芯片的引脚13和所述驱动芯片的引脚16之间的过流电阻和消隐电容组成，所述消隐电容一端连接在所述驱动芯片的引脚16上，另一端连接在所述驱动芯片的引脚14上，所述过流电阻一端连接所述第一限流电阻，另一端连接所述驱动芯片的引脚13上，所述短路故障外部检测电路用于对短路后的desat信号进行消隐滤波，同时决定desat短路检测的内部消隐时间；
11.第二二极管，其正极连接在所述限流电阻和正电源对所述消隐电容充电的共接端上；
12.反向恢复模块，包括两个串联的二极管，该反向恢复模块的输入端连接在所述第二二极管的负极上，输出端连接在igbt模块的集电极上。
13.优选地，还包括：
14.外围充电电路，所述外围充电电路包括：充电输出端口、所述限流电阻和所述过流电阻，所述输出充电端口连接所述驱动芯片的引脚13上，还串联所述限流电阻和所述过流
电阻。
15.优选地，还包括：
16.第三二极管，所述第三二极管的正极连接所述第二二极管的负极，该负极连接所述驱动芯片的引脚13上，用于避免所述反向恢复模块快速关断反向恢复时，对所述消隐电容的过电压的充电而损坏驱动芯片。
17.优选地，还包括：
18.第三去耦电容，所述第三去偶电容一端连接所述第三二极管的负极，其正极连接所述驱动芯片引脚12。
19.本发明还提供了一种驱动电路，包括：
20.驱动芯片，所述驱动芯片为acpl-330j芯片；
21.原边故障输出信号电路，用以检测电路是否存在故障，该电路连接所述驱动芯片引脚1-4上；
22.原边pwm输入电路，用以避免驱动信号紊乱或干扰引起上下桥同时导通，该电路连接所述驱动芯片引脚5-8上；
23.副边输出电路，用以输出驱动信号驱动igbt，该电路连接所述驱动芯片引脚9-13上；
24.以及上述任意一项所述的igbt的驱动芯片保护电路。
25.优选地，所述原边故障输出信号电路包括：
26.第二限流电阻，所述第二限流电阻一端连接vuo端口，一端分别连接所述驱动芯片的引脚1上和引脚4上，用于防止后级短路烧坏芯片或光耦；
27.下拉电阻，所述下拉电阻的一端分别连接所述第二限流电阻和所述vuo端口，所述下拉电阻另一端接地，用于保证无故障时该端口不会误输出故障电平至主控芯片；
28.滤波电容，所述滤波电容一端分别连接所述第二限流电阻、所述下拉电阻以及所述vuo端口，所述滤波电容另一端接地，用于对信号进行滤波。
29.优选地，所述原边pwm输入电路包括：
30.保护电阻，所述保护电一端分别连接所述驱动芯片的引脚6上和引脚7上，所述保护电路另一端分别连接所述驱动芯片的引脚5上和引脚8上，用于防止光耦静电损伤和误开通；
31.贴片电容，所述贴片电容一端分别连接所述驱动芯片的引脚6上和引脚7上，所述贴片电容另一端分别连接在所述驱动芯片的引脚5上和引脚8上，用于减少延迟时间，滤除高频杂波；
32.第一电阻，所述第一电阻一端连接驱动信号pu+，所述第一电阻另一端连接所述驱动芯片的引脚6上和引脚7上；
33.第二电阻，所述第二电阻一端连接驱动信号pu-，所述第二电阻另一端连接所述驱动芯片的引脚5上和引脚8上。
34.优选地，所述副边输出电路包括：推挽电路，所述推挽电路包括：
35.第三电阻，所述第三电阻串联在所述驱动芯片的引脚11和引脚9之间；
36.基极驱动电阻，所述基极驱动电阻一端连接所述驱动芯片的引脚11上；
37.滤波电容，所述滤波电容一端连接所述基极驱动电阻，另一端连接负电源端口上，
用于滤波；
38.npn晶体管，所述npn晶体管的基极连接所述基极驱动电阻的另一端，所述晶体管的集电极连接所述引脚13；
39.pnp晶体管，所述pnp晶体管的基极连接所述基极驱动电阻的另一端，所述pnp晶体管的发射级连接所述npn晶体管的发射极，所述pnp晶体管的集电极连接所述连接负电源端口上。
40.优选地，所述副边输出电路还包括：igbt驱动回路，所述igbt驱动回路包括：
41.驱动电阻，所述驱动电阻的一端连接所述npn晶体管的发射级，另一端连接输出端口；
42.双向瞬态抑制tvs管，所述双向瞬态抑制tvs管一端连接所述输出端口，所述双向瞬态抑制稳压管另一端连接ve-u端口，用于确保igbt栅极电压在正常范围之内；
43.栅极放电电阻，所述栅极放电电阻一端连接所述gu+端口，所述栅极放电电阻另一端连接所述ve-u端口，用于释放栅极电荷防止igbt误导通和静电损坏；
44.栅极吸收电容，所述栅极吸收电容一端连接所述gu+端口，所述栅极吸收电容的另一端连接所述ve-u端口，用于减小igbt的开关硬度并且吸收栅极的高频噪声。
45.本发明还提供了一种驱动电机，所述驱动电机采用上述任意一项所述的驱动电路。
46.本发明所提供的一种驱动保护电路，采用acpl-330j芯片作用于igbt模块中，采用故障输出信号电路保护芯片或光耦不被烧坏，将acpl-330j驱动芯片的14引脚连接保护电路，在igbt导通时，时刻检测电压是否高于预设值，当电压高时，触发acpl-330j芯片内部的故障反馈通道，使内部光耦导通，fault和vs导通，ufo电压升高为高电平，传至控制板封锁其他路pwm输出。在故障发生26us后，光耦由故障状态自动复位，利用acpl-330j芯片的功能，实现对igbt模块的驱动及保护且有自我恢复的功能，提高电路的稳定性和抗干扰能力，采用驱动电路驱动igbt模块的正常运行，本发明采用acpl-330j芯片不仅实现了igbt进行短路检测，对igbt同一桥臂直通短路故障的保护，另一方面对igbt进行驱动，实现了多功能一体化的设计。
附图说明
47.为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
48.图1为本发明所提供的一种驱动电路的电路图；
49.图2为本发明所提供的保护电路的等效电路图。
具体实施方式
50.本发明的核心是提供一种igbt的驱动芯片保护电路以及驱动电路，该驱动电路不仅可以实现对igbt进行驱动，而且具有电路保护功能，使igbt模块的可靠性更强。
51.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式
对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.请参考图1，图1为本发明所提供的一种驱动电路的电路图。如图1所示，该驱动电路包括：故障输出信号电路，pwm输入电路，驱动电路，保护电路。
53.保护电路包括：
54.消隐电容c7，所述消隐电容c7两端分别电连接所述acpl-330j芯片的引脚14和引脚16；
55.二极管d1，所述二极管d1的负极连接所述acpl-330j芯片的引脚14，所述二极管d1的正极连接所述acpl-330j芯片的引脚16；
56.电阻r6，一端连接所述acpl-330j芯片的引脚14；
57.电阻r7，一端连接所述电阻r6，另一端连接所述acpl-330j芯片的引脚13；
58.二极管d2，所述二极管d2的正极连接所述电阻r6；
59.二极管d3，所述二极管d3的正极连接所述二极管d2的负极，所述二极管d3的负极连接所述acpl-330j驱动芯片的引脚13上；
60.二极管d4，所述二极管d4的正极分别连接所述二极管d2的负极和所述二极管d3的正极；
61.二极管d5，所述二极管d5的正极连接所述二极管d4的负极，所述二极管d5的负极连接dc+端口。
62.d4，d5的选取，主要考虑其快恢复性及反向耐压值，这里选取byv26egp1a/1000v两个串联，其反向恢复时间为75ns，相对us级很小，可以忽略不计，满足快速响应保护要求，其导通压降为0.6v，功耗较低；d2的选取，主要考虑igbt保护的及时性，这里选取导通压降为0.8v，反向恢复时间6ns的bav70lt1g，当igbt的集射极电压vce超过4.5v时，光耦故障检测引脚14上的电压：
[0063]vdesat
＝v
ce
+v
fd4
+v
fd5
+v
fd2
≥4.5+0.6+0.6+0.8＝6.5v；
[0064]
其中，v
ce
为igbt饱和导通压降，v
fd4
为desat短路检测电路超快恢二极管的正向导通压降vf，v
fd5
为desat短路检测电路超快恢二极管的正向导通压降vf，v
fd2
为第二二极管的正向导通压降。
[0065]
则内部故障反馈通道工作输出故障信号；d1用来避免光耦的本体二极管正偏(desat引脚不能接受负压)，选取bav70lt1g；
[0066]
r6限流电阻，保护光耦，一般选择100ω～2k，阻值越小，响应速度越快，为保证响应速度r6取150ω；r7、c7构成igbt短路故障外部检测电路，故障检测电路必须保证在igbt开通过程中desat检测无效，避免igbt开通瞬间的误保护动作，desat禁用的这段时间称之为消隐时间，消隐时间计算公式：
[0067]
t
blank
＝c
blank
×vdesat
/i
chg
[0068]
其中，i
chg
为内部恒流源输出电流，v
desat
为desat短路检测的阈值电压值。
[0069]cblank
即c7，芯片资料推荐选取100pf，考虑到提高系统的抗干扰性，c7选取1000pf，为了保证短路保护的及时性，增加外围充电回路vcc_u、r7、r6，则igbt由关断变为导通时，c7的充电电流由光耦内部的恒流源ichg＝0.24ma与vcc_u通过r7、r6的充电电流两部分组
成。
[0070]
请参考图2，图2为等效电路，电路为一个电压源、电流源双供电的rc电路，当t＝0时开关闭合后，根据kvl有：
[0071]
ur(t)+uc(t)＝us(t) (t≥0)
[0072]
因为
[0073]
ur(t)＝rir(t)，且
[0074]
故有
[0075][0076]
即
[0077][0078]
解微分方程，可得该电路uc(t)零储能状态下的阶跃响应为
[0079][0080]
则有
[0081][0082]
其中us＝vcc_u＝17v，is＝i
chg
＝0.24ma，r＝r7+r6＝7.65k,c＝1000pf，uc＝v
desat
＝6.5v，代入上式求得t＝3.34us。我司产品igbt开通时间均小于3us，消隐时间可以避免igbt开通瞬间的误保护。在igbt正常工作情况下，电阻r7的压降为：
[0083]
vcc_u-v
d2-v
d4-v
d5
＝16-0.6-0.8-0.8-2＝11.6v
[0084]
则其功耗为：
[0085][0086]
实际选取为0.1w，满足功耗降额；d3用来避免d4、d5快速关断反向恢复时，igbt上升很快的c极过电压对消隐电容c7充电，d4、d5的反向恢复时间为75ns，反向恢复电流irr＝0.25a，第三二极管d3选择1a/600v的二极管。
[0087]
acpl-330j的该功能可以有效地避免igbt工作过程中由于驱动电路耦合干扰导致上下桥臂直通或关断过程快导致的寄生开通导致的上下桥臂直通而毁坏igbt模块。
[0088]
故障输出信号电路包括：限流电阻r1，限流电阻r1一端连接vuo端口，一端分别连接所述acpl-330j驱动芯片的所述引脚1和所述引脚4，用于防止后级短路烧坏芯片或光耦。
[0089]
下拉电阻r2，所述下拉电阻r2的一端分别连接限流电阻r1和所述vuo端口，所述下拉电阻r2另一端接地，保证无故障时该端口不会误输出故障电平至主控芯片。
[0090]
滤波电容c1，所述滤波电容c1一端分别连接限流电阻r1、所述下拉电阻r2以及所述vuo端口，滤波电容c1另一端接地，用于对信号进行滤波。
[0091]
r1为限流电阻，防止后级短路烧坏芯片或光耦，一般选取100ω；r2为下拉电阻一
般选取2～10k，考虑到电路中的分压作用这里选取10k；c1为滤波电容，这里选取10n，可以滤除159khz以上高频杂波。
[0092]
pwm输入电路包括：
[0093]
保护电阻r4，所述保护电路r4一端分别连接所述acpl-330j芯片的所述引脚6和所述引脚7，所述保护电路r4另一端分别连接所述引脚5和所述引脚8，用于防止光耦静电损伤和误导通；
[0094]
贴片电容c2，所述贴片电容c2一端分别连接所述acpl-330j芯片的所述引脚6和所述引脚7，所述贴片电容c2另一端分别连接所述引脚5和所述引脚8，用于减少延迟时间，滤除高频杂波；
[0095]
电阻r3，所述电阻r3一端连接驱动信号pu+，所述电阻r3另一端连接所述引脚6和所述引脚7；
[0096]
电阻r5，所述电阻r5一端连接驱动信号pu-，所述电阻r3另一端连接所述引脚5和所述引脚8；
[0097]
r3、r5选取，驱动信号pu+为0v、pu-为5v的电压，查datasheet可知光耦led的导通压降为1.6v，光耦导通电流为8～12ma，r3、r5选取150ω电阻，驱动信号为高电平时流过光耦电流为：
[0098][0099]
光耦可以可靠导通，单个电阻消耗功率：
[0100]
p＝1.7
×
1.7/150＝0.019w
[0101]
选取1/10w电阻，功率降额19％，满足功率降额要求。
[0102]
r4、c2的选取，r4保护电阻，防止光耦静电损伤，一般选取2～10k，在此选取5.1k，c2选取470pf贴片电容，则光耦输入端的滤波截止频率为：
[0103][0104]
pwm输入信号延迟时间t＝423ns(3rc)，其相对于pwm波死区时间3～5us可以忽略不计，c2的选取既能保证很小的延迟时间，又可以滤掉一定的高频杂波。
[0105]
pu+、pu-是由控制板输入的pwm信号，内部光耦正向导通压降为1.6v，其反向电压要求小于5v，pwm信号幅值5v，可以差动方式输入驱动光耦并且保证光耦可靠工作，差动输入方式可以避免由驱动信号紊乱或干扰而引起的igbt上下桥同时导通。
[0106]
控制驱动逻辑acpl-330j芯片里面的原边发光二极管发光与否，从而可以控制驱动芯片的副边是否输出+15v/-9v使受控对象igbt模块进行开通或关断。
[0107]
驱动电路包括推挽电路和igbt驱动回路，推挽电路包括：
[0108]
电阻r9，所述电阻r9串联在所述引脚11和所述引脚9之间。
[0109]
基极驱动电阻r8，所述基极驱动电阻r8一端连接所述引脚11，另一端连接三极管q1的基极。
[0110]
滤波电容c9，所述滤波电容c9的一端连接所述基极驱动电阻8，另一端连接vee_u，用于滤波。
[0111]
npn晶体管q1，所述npn晶体管q1的基极连接所述基极驱动电阻r8的另一端，集电
极连接所述引脚13。
[0112]
pnp晶体管q2，所述pnp晶体管q2的基极连接所述基极驱动电阻r8的另一端，所述pnp晶体管q2的发射级连接所述npn晶体管q1的发射极，所述pnp晶体管q2的集电极连接所述vee_u。
[0113]
q1、q2的选取，主要考虑igbt栅极工作电流，以ff450r12kt4为例，在igbt由关断到开通瞬间，其最大冲击电流：
[0114]igp
＝(+u
ge
+|-u
ge
|)/(rg+rg)＝(15+10)/(1.9+5.1)＝3.57a
[0115]
其中，+u
ge
为igbt栅极开通的正电源，-u
ge
为igbt栅极关断的负电源，rg为igbt模块内部的栅极驱动电阻，rg为驱动电路配置的外部驱动电阻。
[0116]
由于各个igbt的栅极驱动电阻不一样，为了保证足够的降额，q1、q2选取电流为5a的2sc5103的npn晶体管和型号为2sa1952的pnp晶体管，可以流过晶体管的峰值电流为10a，在最大电流情况下降额为35.7％，随着igbt栅射电容的充电，电流越来越小，晶体管可以满足电流降额；r8三极管基极驱动电阻，其取值的大小影响三极管的开关速度和工作区域，查2sc5103(同2sa1952)datasheet可知，其放大区放大系数约为130倍，为使三极管峰值电流处能够工作在饱和区需满足：
[0117]
ib＞10/130＝0.077a
[0118]
即：
[0119]
rb＜10/0.077＝143ω，
[0120]
考虑到阻值选取太小会引起较大emi和电压尖峰，r8选取68ω，电阻最大冲击电流为：
[0121]ip
＝25/(68+10)＝0.32a
[0122]
小于光耦输出电流1.5a，当q1工作在深度饱和区时，其最大平均基极电流i＝38ma，则r8消耗功率：
[0123]
p＝i2r＝0.038
×
0.038
×
68＝0.098w
[0124]
所选电阻为1/3w，降额为30％；c9滤波电容，一般选取100p～10n，考虑到晶体管的开关损耗和由di/dt引起的电压尖峰，c9选取470p，与r8组成rc滤波，其时间常数：
[0125]
τ＝68
×
470
×
10-12
＝0.032us
[0126]
相对于三极管自身的开通时间0.15us，可以忽略不计；r9为保护电阻，选取20k，光耦损坏时，可以将晶体管基极输入电压下拉，关断q1，保证igbt可靠关断。
[0127]
igbt驱动回路包括：
[0128]
驱动电阻r10，所述驱动电阻r10的一端连接所述npn晶体管q1的发射级，另一端连接gu+端口；
[0129]
双向瞬态抑制tvs管z1，所述双向瞬态抑制tvs管z1的一端连接cu+端口，所述双向瞬态抑制tvs管z1的另一端连接ve-u端口，用于确保igbt栅极的电压在正常范围之内；
[0130]
栅极放电电阻r11，所述栅极放电电阻r11的一端连接所述gu+端口，所述栅极放电电阻r11的另一端连接所述ve-u端口，用于释放栅极电荷防止igbt误导通和静电损坏；
[0131]
栅极吸收电容c10，所述栅极吸收电容c10的一端连接所述gu+端口，所述栅极吸收电容c10的另一端连接所述ve-u端口，用于减小igbt的开关硬度并且吸收栅极的高频噪声。
[0132]
开通(关断)电阻r10的选取，查看后级所驱动igbt的datasheet，由驱动电阻与开
关损耗的曲线图选取电阻阻值，一般选推荐值的1.5～2倍，具体阻值根据装机后测试igbt开通关断时间后进一步确定，电阻消耗功率取决于所选取igbt.以ff450r12kt4为例，栅极电荷qg＝3.30uc，由此可求得栅电容：
[0133][0134]
栅极驱动电压由-10v变化到15v时，开关频率为8k时，考虑到栅极吸收电容为c10为10nf，则可知栅极驱动功率：
[0135]
pg＝fs(cg+c
10
)(uh+|u
l
|)2＝8000
×
(110+10)
×
10-9
×
(15+10)2＝0.6w
[0136]
栅极驱动功率(每个周期内有两个储能环节，由电容储能公式率(每个周期内有两个储能环节，由电容储能公式可得知上式)全部消耗在驱动电阻上，选取2.7ω/2w电阻，电阻功率降额30％；栅极保护器件的选取，器件r11、c10、z1都是用来保护igbt的栅极，电阻r10为栅极放电电阻，用来释放栅极电荷防止igbt误导通和静电损坏，根据资料的推荐，此处选择5.1k；电容c10为栅极吸收电容，用以减小igbt的开关硬度并且吸收栅极的高频噪声，c10的大小对照igbt的cies进行选择，一般c10应小于igbt的cies，ff450r12kt4igbt的cies为28nf，选取c10＝10nf；z1是双向瞬态抑制tvs管，用以确保igbt栅极电压在正常范围之内，igbt工作时栅极正常电压应在
±
20v之内，z1选取18v的稳压管，其在电流1-20ma均能满足18v的稳压特性，考虑二极管的正向导通压降，则z1确保igbt栅极稳定在
±
18.7v内。
[0137]
驱动逻辑acpl-330j芯片输出驱动igbt开关信号进过q1、q2构成的推挽放大其驱动能力后去驱动igbt模块的栅极，实现对igbt模块的导通。
[0138]
本发明所提供的驱动保护电路具备以下优点：
[0139]
本发明采用acpl-330j芯片，作为核心驱动，acpl-330j芯片最大输出电流为1.5a，驱动能力强，最大传输延迟250ns，最大脉宽失真100ns，传输延迟时间更短，脉冲失真更低；工作温度范围为-40℃～+105℃，工作温度范围更宽；拥有igbt短路退饱和检测及软关断功能，降低由di/dt形成的电压尖峰，减小igbt关断损伤；在vcm＝1500v时，共模抑制能力达50kv/us，增强系统的抗干扰能力；短路故障自复位功能(静默时间26us)，有效避免与其他电路的死锁；本发明当检测到电压值高于预设电压阀值时，切断acpl-330j芯片内部达林顿管的输出且导通内部软关断mos对igbt栅极进行“软”放电，避免由于硬关断电流突变高引起的电压尖峰而损坏igbt模块，同时触发内部故障反馈通道将故障信号发送至主控芯片封锁其他pwm输出，静默26us后通过芯片的自复位功能实现自动复位。本发明利用acpl-330j芯片的功能，实现对igbt模块的驱动及保护以及自我恢复的功能，提高驱动电路的稳定性和抗干扰能力，采用acpl-330j芯片实现的驱动电路，不仅可以驱动igbt模块的正常运行还能实现对igbt模块发生短路时进行保护和监测。
[0140]
本发明实施例还提供了一种驱动电机，所述驱动电机采用上述任一项实时例所述的驱动电路。
[0141]
本发明实施例还提供了一种风力变流器，所述风力变流器的驱动电机采用上述任一项实施例所述的驱动电路。
[0142]
以上对本发明所提供的一种igbt的驱动芯片保护电路以及驱动电路进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明
只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。